陈学雷：出人意料的宇宙黎明之冷(3)

实际上，这两者观测的对象是不同的。单天线不能象阵列一样进行21cm层析观测，测出天空不同方向的辐射强度变化，但却可以进行全天平均的频谱观测。如果宇宙各个方向的演化大历史是一样的，那么虽然每个方向、每个频率的21cm信号都不完全相同，但如果把一小块三维空间的21cm信号平均一下，我们就会发现：各个方向、同一个红移的信号还是相同的，这就是宇宙21cm信号平均谱。

打个比方，北京每一天的气温都是不同的，2月里有比较暖的天，3月里也有比较冷的天，但“平均”之后就会发现：3月还是比2月暖和。

单天线就是尝试进行这种平均测量。Bowman和Rogers认识到，由于测量的是全天总流量，单天线小并不要紧，仍足以收到信号。因为只有一个天线，与天线阵比起来，可以花很多功夫对单天线和接收机进行更精密的设计和调试，因为实验规模小，进度也更快。他们在澳大利亚西部电磁干扰很少的沙漠中树立了自己的小实验天线，并将实验名为EDGES。

图3. EDGES 实验。这个看上去像个小桌子的装置，四个“桌腿”是绝缘体支架，上面的方形是天线，中间的管子里是电缆，将天线信号传到埋在地下的接收机。周围的地面铺设了导电网，使地面对于电磁波来说更像一面镜子，图片来源：Nature

图4. 宇宙历史示意图（上）和21cm平均谱，可以看到黑暗时代和第一代星系形成后各有一个吸收谱轮廓，而再电离（reionization）时则呈现发射谱轮廓（下）

那么，宇宙平均21cm信号是什么样的呢？为了描述处在两个能级上的氢原子的相对比例，可以引入“自旋温度”的概念：自旋温度越高，在高能级上的氢原子的比例就越大。当自旋温度高于当时的宇宙微波背景辐射温度时（随着宇宙膨胀，宇宙微波背景的温度也在不断变化），总的发射就会超过吸收，产生发射谱；反之，当自旋温度低于当时的宇宙微波背景辐射温度时就产生吸收谱。

自旋温度过着一种“冰火两重天”的生活。一方面，原子自旋跃迁和宇宙微波背景辐射的相互作用会使自旋温度趋近宇宙微波背景辐射温度；另一方面，原子的碰撞、赖曼（Lyman）光子的散射又会使这一温度趋近于原子运动的温度（也就是我们一般所说的气体温度），实际的自旋温度是二者的某种平均，夹在二者之间。